Тема 5.2. Регулирование напряжения в электрических сетях

5.2.1. Методы и принципы регулирования напряжения

Различным режимам работы потребителей соответствуют разные потоки мощности, передаваемые по сети, и, следовательно, разные потери напряжения [1]. В режиме наибольших нагрузок сеть, как правило, сильно загружена и потери напряжения в ее элементах большие. В нормальных режимах потери напряжения меньше, а в режиме наименьших нагрузок могут быть совсем незначительными.

Работа электроприемников с наилучшими технико-экономическими показателями (высокий КПД, надежность, электромагнитная безопасность и т.п.) возможна только при небольших отклонениях напряжения на их выводах. Для трансформаторов электрической сети устанавливается превышение напряжения не более чем на 5%относительно напряжения рабочего ответвления регулирующего устройства, что связано с недопустимостью перехода на нелинейную часть кривой намагничивания трансформатора.

Нижний уровень напряжений в электрической сети определяется условиями регулирования напряжения в распределительных сетях и устойчивостью работы ЭЭС. Указанные требования к отклонению напряжения в электрической сети и на выводах электроприемников обусловливают необходимость регулирования напряжения во всех видах электрических сетей. Различают централизованное и локальное регулирования напряжения.

При централизованном регулировании напряжение изменяют в центре питания (электростанции, подстанции). Локальное регулирование используют в питающих и распределительных сетях для отдельных групп потребителей или электроприемников (групповое регулирование). Иногда регулирование выполняют для отдельного электроприемника (индивидуальное регулирование).

Для того, чтобы рабочее напряжение сети можно было поддерживать выше номинального напряжения из-за необходимости компенсации потерь напряжения, силовые трансформаторы, как правило, имеют номинальные напряжения обмоток на 5...10% выше номинального напряжения сети, к которой они присоединены.

Регулирование напряжения в электрических сетях выполняется по одному из трех принципов:

- стабилизация напряжения;

- стабилизация по заданному графику напряжения;

- встречное (согласное) регулирование.

В соответствии с принципом стабилизации напряжение на шинах нагрузки поддерживается всегда на заданном уровне (рисунок 5.5, а). Регулирование по заданному графику предусматривает стабилизацию разных заданных значений напряжений на различных временных интервалах. В этом случае график напряжения является ступенчатым, например, в часы утреннего и вечернего максимумов напряжение поддерживается выше, чем в остальные часы суток (рисунок 5.5, б).

Принципы стабилизации используются при регулировании напряжения на электростанциях и в специальных случаях – для индивидуального регулирования напряжения у некоторых электроприемников.

Рисунок 5.5. Графики напряжений

Принцип встречного регулирования устанавливает значение напряжения на шинах НН понижающих подстанций в зависимости от тока нагрузки. Согласно Правилам устройства электроустановок, на шинах ЦП 6...20 кВ должно обеспечиваться встречное регулирование напряжения, при котором напряжение ЦП увеличивается по мере роста нагрузки. В часы максимальной нагрузки напряжение поддерживается на 5...10% выше номинального (не ниже 1,05 от номинального напряжения), а в часы минимальных нагрузок не выше номинального значения.

К средствам регулирования напряжения относятся:

- регуляторы напряжения на электростанциях;

- регулирующие устройства на понижающих трансформаторах;

- специальные регулировочные трансформаторы;

- компенсирующие устройства.

Кроме того, к средствам регулирования напряжения можно отнести системы отключения (включения) части параллельно работающих элементов электрической сети.

5.2.2. Регулирование напряжения на электростанциях

Рабочее напряжение на генераторах может изменяться в пределах от 0,95U_{г ном} до 1,05U_{г ном}. Регулирование напряжения на шинах электрической станции производится автоматически с помощью быстродействующего автоматического регулятора возбуждения (АРВ) синхронных генераторов [1].

В зависимости от электрической схемы станции используются различные устройства регулирования напряжения. В общем случае можно выделить индивидуальные АРВ генераторов, к которым подводятся сигналы по напряжению и току, а также устройства группового регулирования напряжения (ГРН), которые должны обеспечивать автоматическое распределение реактивной мощности между генераторами и поддерживать напряжение на шинах электростанции или в другой точке ЭЭС согласно заданному режиму работы. Кроме того, к управляющим устройствам регулирования напряжения на электростанции следует отнести блоки ограничения перегрузки ротора и минимального возбуждения (ОМВ), которые связаны с условиями нагрева стали статора и ротора генератора и статической устойчивостью. На рисунке 5.6 показана управляющая схема автоматического регулирования напряжения на электростанции.

Рисунок 5.6. Схема автоматического регулирования напряжения

на электростанции

АРВ является первичным регулятором напряжения и аналогично АРС турбин при регулировании частоты имеет статизм. На рисунке 5.7 показана статическая характеристика реактивной мощности потребления ЭЭС по напря-жению ΣQ_п, пересечение которой с характеристикой АРВ является рабочей точкой (а) исходного режима с напряжением на шинах станции U₀. Реактивная мощность исходного режима равна Q₀.

При изменении режима потребления реактивной мощности, например увеличении потребления на ∆Q, в соответствии со статической характеристикой АРВ рабочая точка установится на пересечении новой статической характеристики ΣQ_п +∆Q (точка b) – это стадия первичного регулирования напряжения устройством АРВ. Точке b соответствуют напряжение U₁ и реактивная мощность Q₁ при этом U₁< U₀.

Для дополнительной корректировки напряжения на шинах станции используют вторичное регулирование напряжения с помощью устройства ГРН, которое воздействует на настройку (уставку) АРВ генераторов. При этом характеристика АРВ перемещается параллельно своему прежнему положению и устанавливается в положение 3, в котором пересекается с характеристикой ΣQ_п +∆Q в точке d. Напряжение на шинах станции восстанавливается до прежнего значения U₀. Мощность генератора равна Q₂

Рисунок 5.7 Первичное и вторичное регулирование напряжения

При отсутствии регулятора возбуждения – характеристика с k_в=0 (линия 2, рисунок 5.7) – напряжение на шинах станции снизилось бы до значения U₂.

При астатической характеристике первичного регулятора напряжения k_в=∞ (линия 4, рисунок 5.7) на всех генераторах станции их совместная работа не может быть организована, так как в этом случае возникает неопределенность в распределении реактивной мощности между генераторами. Статические регуляторы возбуждения генераторов обеспечивают распределение реактивной мощности между генераторами строго пропорционально коэффициентам крутизны характеристик АРВ.

5.2.3. Регулирование напряжения на понижающих подстанциях. Выбор ответвлений устройств регулирования напряжения

Для регулирования напряжения на трансформаторах понижающих подстанций устанавливают специальное устройство – регулятор под нагрузкой (РПН), представляющее собой автоматическое устройство, меняющее рабочее ответвление витков обмотки трансформатора и, следовательно, коэффициент трансформации трансформатора [1]. Устройство устанавливают в трансформаторах напряжением 35 кВ и выше и размещают в нейтрали обмотки ВН. Это позволяет, во-первых, иметь наиболее плавное регулирование, так как число витков у обмотки ВН больше, чем у НН; во-вторых, при переключениях выполняется коммутация меньших по величине токов, чем на стороне НН; в-третьих, включение РПН в заземленную нейтраль на ВН значительно снижает требования к уровню изоляции устройства регулирования.

В упрощенном виде схема переключений ответвлений двухобмоточного трансформатора представлена на рисунке 5.8.

На стороне ВН трансформатора последовательно соединяются нерегулируемая и регулируемая обмотки. Обе обмотки размещены на одном магнитопроводе, здесь же находится и обмотка НН. Регулируемая обмотка может иметь 12, 16 или 18 ступеней регулирования по 1,5 или 1,78%, т.е. диапазоны регулирования ±9, ±12 или ±16% U . Для простоты на рисунке 5.8 показаны всего 4 ступени (±2).

Рисунок 5.8 Упрощенная схема регулирования напряжения

двухобмоточного трансформатора

Переключающее устройство состоит из двух переключателей П₁ и П₂, двух контакторов K₁ и К₂ и токоограничивающего реактора Р. В положении, показанном на рисунке 5.8, ток в обмотке ВН проходит через плечи реактора в противоположных направлениях, вследствие чего результирующий магнитный поток реактора очень мал и его сопротивление незначительно.

В среднем положении переключателей отпаек (номинальное ответвление) трансформатор работает с основным (номинальным) коэффициентом трансформации. В других положениях (на других ответвлениях) коэффициент трансформации уменьшается или увеличивается в зависимости от того, согласно или встречно с витками основной обмотки включаются дополнительные витки регулируемой обмотки. При подаче сигнала перехода на верхнюю соседнюю отпайку операции по переключениям выполняют в следующем порядке: отключается контактор K₁; переключатель П₁ переводится на верхнее соседнее ответвление; включается контактор К₁; отключается контактор К₂; переключатель П₂ переводится на верхнее соседнее ответвление; включается контактор К₂.

В то время, когда переключатели находятся на разных ответвлениях и оба контактора включены, по контуру, образованному всеми элементами переключающего устройства, протекает уравнительный ток, вызванный ЭДС, наводимой в замкнутых через переключающее устройство витках регулируемой обмотки. Плечи реактора для этого тока будут соединены последовательно, и реактивное сопротивление реактора велико, что будет препятствовать короткому замыканию между ответвлениями.

При переходе на нижнее ответвление работа переключателей и контакторов происходит в обратном порядке, т.е. вначале срабатывают К₂ и П₂, а затем K₁ и П₁

Переключающее устройство размещают в баке трансформатора. Контакторы устанавливают в отдельном, залитом маслом стальном кожухе, укрепляемом как снаружи бака трансформатора, что обеспечивает наиболее удобную ревизию и ремонт их элементов, так и внутри бака.

Ввиду того, что при напряжении 220 кВ и выше реакторы переключающего устройства РПН получаются очень громоздкими, в таких трансформаторах применяют переключающие устройства с активными сопротивлениями, рассчитанными на кратковременную работу. Рассмотренное устройство РПН называют встроенным.

Трансформаторы городских и сельских электрических сетей напряжением ниже 35 кВ снабжаются устройством переключения без возбуждения (ПБВ), т.е. с возможностью переключения ответвлений только при снятом напряжении. Трансформаторы с ПБВ имеют основное ответвление с номинальным напряжением и четыре ступени регулирования по 2,5% (±2×2,5)%. Ответвления этих трансформаторов переключаются либо при изменении схемы электроснабжения, либо при переходе от сезонных максимальных нагрузок к минимальным и наоборот. Суточное регулирование в этих сетях возлагается на ЦП. Устройство ПБВ также является встроенным устройством регулирования.

При проектировании электрической сети выполняют расчет режимов наибольших и наименьших нагрузок и проверяют возможность регулирования напряжения с помощью РПН или ПБВ установленных понижающих трансформаторов. Для этого определяют номер или напряжение ответвления, необходимого для достижения желаемого напряжения на шинах НН подстанции. В этом случае, как правило, регулирование осуществляется в соответствии с принципом встречного регулирования напряжения. Так как на сопротивлениях трансформатора имеется падение напряжения, то при выборе ответвления необходимо вычислить напряжение за сопротивлением трансформатора U_H^(В) – напряжение на выводах обмотки НН, приведенное к напряжению ВН.

Напряжение на шинах НН вычисляется по формуле

(5.3)

где U_H^(В)= |U_В – ∆U|; ∆U – падение напряжение на сопротивлениях обмоток трансформатора; U_В – напряжение на шинах ВН; k_т – коэффициент трансформации, подлежащий определению; U – искомое напряжение ответвления.

Из (5.1) найдем напряжение ответвления U_отв при условии, что напряжение на шинах НН равно желаемому напряжению, т.е. U_H = U_жел:

(5.4)

Вычисленное по (5.4) напряжение ответвления следует использовать для определения напряжения ближайшего стандартного ответвления. Ряд стандартных напряжений ответвлений может быть получен по формуле

U_{отв ст} = U_{В ном} ±m∆ U_отв = U_{В ном} ±m U_{В ном}, (5.5)

где m – номер ответвления в сторону увеличения (знак плюс) или уменьшения (знак минус) коэффициента трансформации (m = 0,1,..., m_max); m_max – максимально возможное количество ответвлений трансформатора в сторону увеличения k_т – m⁺_max или в сторону уменьшения m^-_max, обычно m⁺_max = m^-_max; ∆ U_отв и ∆ U’_отв – шаг изменения напряжения при переходе на соседнее ответвление в киловольтах и процентах соответственно.

Следует заметить, что уменьшение коэффициента трансформации приводит к увеличению напряжения на шинах НН, а увеличение – к его уменьшению.

Действительное напряжение на шинах НН с учетом выбранного ответвления

. (5.6)

Для проверки возможности регулирования напряжения с помощью ответвлений РПН или ПБВ можно не определять напряжения ответвлений, а вычислить номер ответвления, обеспечивающий желаемое напряжение.

. (5.7)

Если m входит в допустимый диапазон номеров (0,1,..., m_max), то регулирование возможно; в противном случае необходимы дополнительные средства регулирования напряжения на данной подстанции или изменение сделанных ранее проектных решений.

Регулирование напряжения на понижающих подстанциях с трехобмоточными трансформаторами и автотрансформаторами. Трехобмоточные трансформаторы на 110 и 220 кВ изготавливают с РПН только в обмотке ВН, а обмотка СН имеет ответвления ПБВ для изменения коэффициента трансформации ±2x2,5% U_{С ном}

Схема регулирования напряжения со стороны ВН на трехобмоточных трансформаторах такая же, как на двухобмоточных. Однако изменение числа витков на стороне ВН приводит к изменению коэффициента трансформации как между обмотками ВН и СН (k_тв-с) так и между ВН и НН (k_{тв_н}) (рисунок 5.9, а). Такое регулирование называется связанным (зависимым), т.е. обеспечение регулирования на одних шинах, например НН, вынужденно меняет напряжения и на других шинах – СН. Если графики нагрузок на шинах СН и НН схожи по форме, то вполне возможно, что устройства РПН окажется вполне достаточно для регулирования напряжения в сетях обеих ступеней номинальных напряжений.

В случае, когда требования к регулированию напряжения на обеих системах шин противоречивы, устанавливают дополнительные средства регулирования. К ним относятся КУ (рисунок 5.9, б) и специальные регулировочные трансформаторы – линейные регуляторы (ЛР), которые включаются последовательно с одной из вторичных обмоток трансформатора (рисунок 5.9, в).

а) 6) в)

Рисунок 5.9. Регулирование напряжения на подстанции

с трехобмоточным трансформатором

Линейные регуляторы выпускаются мощностью от 16 до 100 MB-А на напряжение 6...35 кВ и предназначены для установки последовательно с нерегулируемыми обмотками трансформаторов, а также непосредственно в ЛЭП. Конструктивно по отношению к основному трансформатору эти устройства являются внешними. На рисунке 5.10 показана схема одной фазы ЛР типа ЛТДН с реверсивной обмоткой регулирования. Диапазон регулирования ЛР ±10х1,5% = ±15%.

От регулируемой обмотки (РО) через переключатели П₁ и П₂ питается обмотка возбуждения (ОВ) последовательного трансформатора (ПТ). В последовательной обмотке (ПО), включенной в рассечку линии, наводится ЭДС ∆Е, величина которой зависит от положения переключателей на регулируемой обмотке, а направление – от положения переключателя реверсирования (ПР).

В положении, изображенном на рисунке 5.10, отрегулированное напряжение в линии (точка b) превышает подведенное (точка а).

Работа переключающего устройства в ЛР выполняется так же, как и в РПН двухобмоточного трансформатора. При необходимости снижения выдаваемого напряжения ЛР (точка b) переключатели П₁ и П₂ переводятся на одно ответвление вверх по направлению к ответвлению 10. Дойдя до последнего ответвления 10 (это соответствует регулированию 0% U_ном), переключатель реверсирования ПР переходит из положения 1 в положение 2, а переключатели П₁ и П₂, вращаясь по кругу (ответвления 10 и 1 являются соседними), – на ответвление 1. Направление ЭДС в последовательной обмотке изменится на обратное, и передвижение переключающего устройства вверх от ответвления 1 к ответвлению 10 будет приводить к дальнейшему понижению напряжения в точке b.

Рисунок 5.10 Схема одной фазы ЛР

Повышение выдаваемого напряжения идет в обратном порядке. Максимальная величина добавки напряжения ЛР составляет ±0,15 U (U – величина подведенного к ЛР напряжения).

На подстанциях с номинальным напряжением 220 кВ и выше устанавливаются автотрансформаторы.

Устройство регулирования напряжения у автотрансформаторов встраивается на линейном конце обмотки СН (рисунок 5.11, а), что обеспечивает изменение коэффициента трансформации только между обмотками ВН и СН (k_{тВ_С}). Регулирование напряжения на обмотке НН автотрансформатора может быть выполнено путем установки ЛР последовательно с обмоткой НН или с помощью КУ.

Рисунок 5.11. Схемы регулирования напряжения автотрансформатора:

а – на линии со стороны СН и б – с помощью вольтодобавочного

трансформатора (ВДТ)

Иногда для регулирования напряжения в автотрансформаторах используют устройства, аналогичные ЛР, – так называемые вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ), специальная обмотка которых соединяется последовательно с обмотками фаз ВН (рисунок 5.11, б).

На рисунке 5.12 изображена схема ВДТ для регулирования напряжения в фазе С автотрансформатора. В состав ВДТ входят два трансформатора – питающий, состоящий из питающей (ПО) и регулирующей (РО) обмоток, и последовательный, который имеет обмотку возбуждения (ОВ) и вольтодобавочную обмотку (ВДО).

Рисунок 5.12 Схема регулирования ВДТ

Первичная обмотка питающего трансформатора может получать питание от фазы А или фаз В, С обмотки НН автотрансформатора. Вторичная обмотка питающего трансформатора имеет такое же переключающее устройство, как РПН. Один конец обмотки возбуждения последовательного трансформатора подключен к средней точке (нулевому ответвлению) РО, другой – к переключающему устройству (ПУ).

Вольтодобавочная обмотка последовательного трансформатора соединена последовательно с обмоткой ВН автотрансформатора, и добавочная ЭДС ∆Е складывается с напряжением обмотки ВН.

5.2.4. Регулирование напряжения методом

изменения потерь напряжения в сети

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 8009; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 91011 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!